综述：探索生物质热解可持续生产富氢气体

这篇综述系统阐述了生物质热解（pyrolysis）技术及其催化重整（catalytic reforming）策略在可持续氢能生产中的应用，重点分析了热解气（pyrolytic gas）、生物油（bio-oil）和生物炭（biochar）的转化路径，探讨了催化剂开发、工艺优化及工业化挑战，为清洁能源转型提供了技术路线图。

　　

Abstract

全球能源需求激增与气候危机推动了对清洁能源的探索。生物质热解作为一种高效的热化学转化技术，可将纤维素、半纤维素和木质素等组分分解为富氢气体、生物油和生物炭。相比传统气化（gasification）和超临界水气化（SCWG），催化热解通过镍基（Ni-based）或钴基（Co-based）催化剂显著提升氢产率（H₂ yield），同时减少焦油（tar）生成，展现出更高的工业化潜力。

Introduction

2021年全球94亿吨氢产量中，62%依赖无碳捕集的天然气重整，伴随900亿吨CO₂排放。生物质作为碳中性原料，其元素组成（C:35.8–58.6 wt%，H:5.3–11.05 wt%）和多样化来源（林业废弃物、藻类等）使其成为氢经济的关键支柱。国际能源署（IEA）预测，2050年氢能将占全球能源消费的20%，其中交通领域占比达30%。

Pyrolysis of Biomass

热解在惰性环境中通过快速加热（500–800°C）使生物质裂解。慢速热解（slow pyrolysis）主要生成生物炭，而快速热解（fast pyrolysis）侧重生物油生产。两段式催化热解（two-stage pyrolysis）通过沸石（Zeolite）或金属氧化物催化剂将挥发分直接重整为H₂浓度>60 vol%的合成气，同时抑制积碳（coke deposition）。

Biochar

生物炭的多孔结构（比表面积>500 m²/g）使其成为催化剂载体或土壤改良剂。其表面含氧官能团（-COOH, -OH）可增强金属活性位点分散，提升蒸汽重整（steam reforming）中水煤气变换反应（WGSR）效率。

Timeline of Technology Development

1995-2000年研究聚焦生物炭；2005年后转向生物油催化裂化（catalytic cracking）；2015年至今，纳米催化剂（如Ni/ZrO₂-CeO₂）将氢产率提升至120 g H₂/kg生物质，反应温度降低100°C。

Catalytic Reforming Strategies

生物油重整需处理高含氧量（30–40 wt%），通过Pt/Al₂O₃催化脱羧反应（decarboxylation）减少结焦；热解气重整则利用钙钛矿（LaNiO₃）促进CH₄分解。集成化反应器设计可减少中间产物冷凝造成的能量损失。

STEEP Analysis

社会层面：农村地区可分布式生产；技术层面：纳米催化剂寿命仍不足200小时；环境层面：全生命周期碳足迹比化石路线低78%；经济层面：规模化为成本降至2.5美元/kg H₂的关键。

TRL Assessment

当前技术成熟度处于TRL 6（中试示范），需解决反应器结垢（fouling）和催化剂再生问题。微波辅助热解（microwave pyrolysis）等创新工艺有望将效率提升至65%。

Future Perspectives

开发抗硫中毒（S-resistant）催化剂、优化生物质预处理（torrefaction）、耦合太阳能供热系统将成为下一代研究方向。正如作者所述："整合热解-重整的模块化设计，是通向氢经济的最短路径。"